Granite River Labs, GRL
姚雅文 Yumi Yao
2022年10月4日歐盟會議正式宣布 USB Type-C® 作為小型電子裝置的通用充電標準，通用標準旨在減少電子垃圾，提高產品利用率，並讓消費者更便利。歐盟通用充電於2024啟動，其針對的裝置除了手機之外，還包含平板、電子閱讀器、耳機、VR和AR等各類中小型便攜式電子設備，而在2023年， Apple® 亦將其原本的Lightening 接口產品均更新換代至C口，USB-C® 接口一統天下之日指日可待。
各式裝置設備、線纜等雖說都是使用 USB Type-C® 接口，但是其中的技術應用卻大有不同，最終導致其數據傳輸能力、影音表現能力均不同。您真的了解 USB-C® 接口嗎？
USB Type-C® 只是指接口的應用界面，外觀上最大的特點在於其接頭上下端完全一致，沒有區分 USB 的正反面之分。 USB4、Thunderbolt 3、Thunderbolt 4、USB Power Delivery（後文簡稱PD）、DisplayPort（後文簡稱DP）等技術協議均可建立在 USB Type-C® 接口之上。由於市場上的 Type-C 接口並不一定會支持數據傳輸、音影傳輸等所有功能，所以，消費者在採購 USB-C® 產品時，需跟銷售確認詳細信息。
以 Type-C Host 設備接口為例，下圖為其技術對比剖析。
圖一：協議比較
目前市面上常見的Type-C接口，分別是使用PD、USB®、Thunderbolt、DP等技術。我簡單整理了各類技術之間的對比，PD技術和DP技術中只帶有自己的獨立協議（見圖一），而最新的USB4® 技術則具備了目前最為萬能的Thunderbolt 技術，還包含了PCIe、USB3.2、PD 和DP 協議。
圖二：音視頻傳輸比較
我們也可以通過協議層去理解不同技術傳輸的具體數據，由於USB4® 具備了DP 的協議層，所以其可傳輸音視頻，而Thunderbolt 4 在音視頻的協議是直接對標DisplayPort 2.1，因此這兩項技術均可支持2台4K或是1台8K的音視頻播放。
圖三：數據傳輸速率比較
而到了數據傳輸方面，USB4® 最高可到達20Gbps（該傳輸速率為可選，因此並不是每一個USB4技術接口都是支持20Gbps），而Thunderbolt 3和Thunderbolt 4最高可支持20.625Gbps的數據傳輸（該傳輸速率為必選，即每一個Thunderbolt 3或4的接口都需要支持到20.625Gbps的速率）。
通過以上三張圖表的分析，我們觀察可得 PD 協議，從理論上來說只支持充電，若要有更多功能，則需支持別的一些協議。
什麼是 USB-C® Alt Mode（交替模式）？
USB-C Alt Mode，也稱為 USB Type-C Alternate Mode，是PD協議的一項功能，允許 USB-C® 端口傳輸非USB信號。如前文說的 Thunderbolt 3和 Thunderbolt 4，DisplayPort 2.1 除了 USB® 數據傳輸和供電等標準 USB® 功能外，USB-C® Alt Mode 還支持通過同一物理連接器傳輸其他協議和信號。以下為目前 Alternate Mode 的應用：
- DisplayPort Alternate Mode
- Thunderbolt Alternate Mode
- VisualLink Alternate Mode
- HDMI Alternate Mode
- MHL Alternate mode
欲了解DP Alt Mode，請參考技術文《DisplayPort over Type-C 2.0入門及規格更新》
HDMI Alt Mode 支持全面的HDMI 1.4b功能：
- 4K分辨率
- 3D (4K & HD)
- 音頻回傳通道(ARC) & HDMI以太網通道(HEC) & 消費電子控制(CEC)
- 高帶寬數字內容保護技術 HDCP 1.4 & HDCP 2.2
- 色深（DeepColor）功能和x.v.Color功能
圖四：HDMI Alt Mode（圖源：HDMI官網）
MHL Alt Mode 可通過 USB -C® 物理接口直接傳輸視頻信號，但基本限於手機應用，由於 HDMI Alt Mode，MHL Alt Mode 和 VisualLink Alternate Mode 實際應用場景較少，本文暫不討論。
你日常看到的 USB Type-C® 接口，如何通過標誌區分其功能？
- Type-C® 接口旁邊是否有 SS 標誌？若有，則該接口支持數據傳輸功能。
- Type-C® 接口旁邊是否有雷電（Thunderbolt）標誌？若有，則該接口支持 Thunderbolt 3或 Thunderbolt 4功能。您可以使用該接口進行充電、數據傳輸，由於 Thunderbolt 含有 DisplayPort Alt Mode 模式，您也可以進行音視頻信號傳輸，直接連接顯示器。
- Type-C® 接口旁邊是否有閃電標誌（注意閃電和雷電的標誌不同）？若有，則該接口僅支持充電功能。
- Type-C® 接口旁邊是否有 D（DisplayPort）標誌？若有，則代表該接口為 DPC 接口，可支持音視頻信號傳輸。
圖五：各類技術標誌
一般來說，終端產品都會在 Type-C® 接口打上其功能性標誌（參考圖五），用戶可根據自己的需求，從而採購最為適合自己的產品。當然，你也可能會在產品上看到不同標誌的排列組合，這代表著該Type-C® 端口具備多種功能，如下為MFDP（即Multi-function DisplayPort）端口，通道中的4對lane，可以分成兩對lane 傳輸DisplayPort, 兩對lane 傳USB 數據（這是DP 協議的Pin Assignment D技術），代表該接口不但可以傳輸USB® 數據，也可以傳輸音視頻信號。
圖六：MFDP 標誌
通用標準Type-C生態圈兼容性必不可少
由於 Type-C® 生態圈技術多樣化，因此在USB®認證、PD認證及Thunderbolt認證中，都含有兼容性測試，以保證產品上市後，能與市面上大部分產品兼容，提高用戶體驗。
Google 針對 Chromebook OS 更新當中，亦列入 USB Type-C® 線提醒功能，告知使用者該傳輸線是否與裝置需求完全匹配。提醒內容包括使用的 USB Type-C® 線是否支持高效率USB4®/Thunderbolt 3。而在 Win 10和 Win 11的電腦中，若您使用不適配的 USB® 或 Thunderbolt 裝置/線纜時，也會收到 Billboard 的通知，如： USB4® 裝置功能可能受到限制。
價格低廉的線材也不會支持全部 USB Type-C® 提供的功能。
USB Type-C® 兼容性測試
USB-IF發布的《Interoperability Test Procedures for Peripherals, Hubs and Hosts》中，有針對樣品進行兼容性測試，驗證產品插拔/影音播放/數據存儲等應用情景下（圖七為其中一種連接測試方式），功能不受影響，用戶能正常使用。
圖七：USB Type-C Interoperability Tree
USB Power Delivery 兼容性測試
在PD認證測試中，規範中亦有針對兼容性所進行的驗證，主要使用到以下設備：
- MacBook Air M1
- Google Phone Pixel 4
- Google PixelBook Go
- Samsung Galaxy S21
- ASUS 4K Monitor MX27U
PD兼容性測試中驗證產品在睡眠/喚醒/重啟/關機/熱插拔等狀態下，能否給Device順利充電，Vbus狀態保持穩定。
Thunderbolt FV（功能性）測試
針對Thunderbolt接口，則需要做Functional Verification（簡稱FV）認證。以樣機為筆記本電腦為例，需要Thunderbolt 3 Passive & Active Cable和Thunderbolt 4 Passive & Active Cable連接以下不同的設備進行測試。測試場景包括BIOS安全性驗證/插拔/Sx/P2P/NVM更新/影音播放/複雜性連接測試等。 Thunderbolt的FV認證相對來說比較複雜，花費時間也相對久。
圖八：Thunderbolt FV Host Topologies
總結
雖然從接口形式上都是Type-C® 接口，但是技術側重點不同，PD（Power Delivery）主要強調其快速充電能力，最高可達240W充電功率；USB 3.1 Gen2強調更快的USB數據傳輸；USB4 ® 不但是USB® 最新技術規範，更是Thunderbolt 4的技術基礎，因此USB4®和Thunderbolt 4提供類似的功能，但在實現和支持的特定功率方面會略有不同。而 DP，Thunderbolt 在 Type-C 口上的應用都是通過交替模式（Alt Mode）來實現的。
GRL提供所有Type-C® 接口測試服務，涵蓋USB4®, DisplayPort 2.1, Thunderbolt 4，Power Delivery 等技術認證，一站式的測試服務和豐富完善的Debug 驗證，能協助您的產品快速上市，搶占市場份額。
參考文章
- "USB Type-C® Cable and Connector Specification", USB Implementers Forum, Inc.: Beaverton Oregon, Jan. 19th, 2022
- A primer on USB Type-C®and USB Power Delivery Applications and Requirements,Texas Instruments, Nate Enos, Brian Gosselin, February 2021
- USB Type-C System Overview, Brad Saunders, USB Type-C Working Group, 2021
- USB Type-C 及 PD 设计及验证白皮书，Keysight
- News European Parliament; https://www.europarl.europa.eu/news/en/press-room/20220930IPR41928/long-awaited-common-charger-for-mobile-devices-will-be-a-reality-in-2024
作者
GRL 東莞技術工程師 姚雅文 Yumi Yao
利物浦大學碩士研究生，於測試認證行業5年工作經驗，GRL技術文章作者及宣傳內容製作人，希望藉由科普內容與各位讀者相互交流共同成長。
